稀薄气体动力学计算 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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王保国，刘淑艳 著

图书标签:

• 稀薄气体动力学
• 气体动力学
• 计算物理
• 数值方法
• Boltzmann方程
• DSMC方法
• 分子动力学
• 物理学
• 工程
• 流体力学

出版社： 北京航空航天大学出版社

ISBN：9787512411661

版次：1

商品编码：11279022

包装：平装

丛书名： 普通高校"十二五"规划教材

开本：16开

出版时间：2013-07-01

用纸：胶版纸

页数：144

正文语种：中文

内容简介

　　《稀薄气体动力学计算》系统介绍了稀薄气体动力学的基本理论、基本方程和基本方法，特别讲述了高超声速再人飞行时稀薄气体DSMC的数值算法。
　　《稀薄气体动力学计算》是一部从基础到前沿、关于稀薄气体输运理论与数值计算方面的学术专著，是一部研究与计算在地球大气层以及火星大气层中作高超声速稀薄流动问题的学术专著，在国内外并不多见。从这个意义上讲，《稀薄气体动力学计算》的出版，填补了稀薄流动问题的缺憾。
　　《稀薄气体动力学计算》中以简明扼要的论述使读者对稀薄气体动力学的计算全貌与前沿课题均有所了解。可供高等院校和科研单位从事流体力学和航空航天专业的研究生和科研人员参考，也可作为从事航天飞行器热防护以及星际航行时气动力辅助变轨控制领域研究人员的参考书和工具书。

目录

第1章 气体动理学理论基础及其非平衡统计力学中的三种描述
1.1 微观层次的描述及其Liouville方程
1.2 动理学层次的描述以及BBgKY方程链
1.3 单粒子分布函数及其输运方程
1.4 中子与光子的输运方程
1.5 高能带电粒子以及电离气体、等离子体中的输运方程
1.6 流体力学层次的描述及其流体力学方程组的导出
1.7 考虑系统粒子之间反应的输运方程
1.7.1 关于□的表达式
1.7.2 关于□的表达式
1.7.3 关于□的表达式
1.7.4 考虑粒子间多体反应时输运方程右端项的一般表达式
1.7.5 反应系统的化学动力学方程

第2章 稀薄气体动力学的基本方程及逐次逼近解法
2.1 liouville方程与Boltzmann方程间的关系和区别
2.2 Boltzmann方程的守恒性质及其宏观守恒方程
2.3 单原子分子、多组元气体的Boltzmann方程
2.3.1 单组元、单原子分子的Boltzmann方程
2.3.2 多组元、单原子分子气体的Boltzmann方程
2.4 单组元、多原子分子、考虑分子内部量子数及简并度的Boltzmann方程
2.5 多组元、多原子分子的广义Boltzmann方程
2.6 Boltzmann方程的Chapman-Enskog逐级逼近解法
2.6.1 Boltzmann方程的无量纲化以及量级分析
2.6.2 Chapman-Enskog的逐级逼近解法
2.6.3 分布函数的零级近似解
2.6.4 分布函数的一级近似解
2.6.5 分布函数的二级近似解
2.7 BGK模型方程
2.7.1 碰撞模型应具备的主要性质
2.7.2 BGK方程及其基本性质
2.7.3 BGK方程的局限性
2.8 求解过渡区Boltzmann方程几种方法的概述
2.8.1 Grad的13矩方法
2.8.2 求解Boltzmann方程的Monte Carlo有限差分方法
2.8.3 广义Boltzmann方程的有限差分Monte Carlo方法
2.9 格子Boltzmann模型及其发展
2.9.1 LGA模型及其发展
2.9.2 LBE模型及其主要发展概述

第3章 DSMC算法及其典型算例分析
3.1 非结构网格下模拟分子的追踪办法
3.2 热力学碰撞传能与化学反应的几种类型
3.3 三维DSMC算法以及源程序的总框图
3.4 Ballute减速装置再人地球大气层的飞行问题
3.5 Ballute减速装置进入火星大气层的飞行问题
3.6 Apollo再入地球大气层的三维绕流计算与分析
3.7 Orion再入地球大气层的三维绕流计算与分析
3.8 Mars Pathfinder进入火星大气层的三维绕流计算与分析
3.9 Mars Microprobe进入火星大气层的三维绕流计算与分析

第4章 小Knudsen数特征区及其在再入飞行计算中的应用
4.1 再入飞行中计算高超声速绕流的两类物理模型及其源程序
4.1.1 广义Navier-Stokes模型及其源程序
4.1.2 DSMC的基本算法以及源程序总框图
4.2 选用广义N-S模型计算特征区内RAM-CⅡ算例
4.3 选用广义N-S模型计算特征区内OREX算例
4.4 选用广义N-S模型计算特征区内Orion算例
4.5 选用DSMC模型计算特征区内RAM-CⅡ算例
4.6 选用DSMC模型计算特征区内OREX算例
4.7 选用DSMC模型计算特征区内Orion算例
4.8 小Knudsen数特征区及其初步分析
参考文献

前言/序言

《稀薄气体动力学计算》图书简介 本书聚焦于稀薄气体动力学领域的理论框架、数值模拟方法及前沿应用，为读者构建一个全面而深入的知识体系。 在现代科学与工程领域，气体行为的理解与精确描述是诸多关键技术得以发展的基石。随着科技的进步，我们越来越频繁地遇到气体分子密度极低，传统基于连续介质假设的流体力学方法失效的极端条件。从高超声速飞行器再入大气层、微纳机电系统（MEMS）中的气体输运，到半导体制造中的等离子体刻蚀过程，乃至航天器在稀薄外层空间的运行环境，稀薄气体动力学——特别是分子动力学方法——成为了解决这些问题的核心工具。 本书系统地梳理了稀薄气体动力学从基本原理到复杂计算模型的演进历程与当前的研究热点。它并非仅仅是对现有文献的简单罗列，而是通过精妙的结构安排和深入的理论剖析，旨在帮助读者建立起扎实的理论基础，并掌握将这些理论应用于实际工程问题的计算技能。 --- 第一部分：基础理论的奠基与回顾 本书的开篇部分，着力于为读者打下坚实的理论基础。我们首先深入探讨了气体动力学的宏观、介观及微观描述层面的衔接与互补性。 统计力学基础与玻尔兹曼方程的精髓： 本部分详细回顾了分子运动论的基本假设，特别是对分子碰撞理论的精确表述。核心内容集中于玻尔兹曼方程（Boltzmann Equation）的推导及其在描述气体分布函数随时间和空间变化中的关键作用。我们不仅阐述了方程本身的数学结构，更强调了其物理意义——它是连接微观粒子行为与宏观流体力学参数的桥梁。 稀薄性判据的量化： 针对稀薄气体流动的核心特征，本书对关键的无量纲参数进行了深入的分析和量化，例如著名的克努曾数（Knudsen Number, $Kn$）。详细讨论了不同$Kn$值下，气体系统应采用何种动力学模型进行描述，从连续流（Navier-Stokes）到过渡流，再到完全自由分子流的物理边界。 矩量展开与简化模型： 玻尔兹曼方程的解析求解极为困难。因此，本书重点介绍了处理复杂问题的常用近似方法。其中，矩量展开法，特别是Chapman-Enskog理论，被详尽阐述。读者将学习如何利用该方法，从玻尔兹曼方程推导出更高阶的宏观流体力学方程组，如Burnett方程组，这些方程组在描述高梯度或高马赫数的过渡区流动时显示出远超标准Navier-Stokes方程的精度。 --- 第二部分：计算方法学的深度剖析 本书的重点和核心价值在于其对“计算”二字的深入诠释。面对高维度的概率密度函数和复杂的边界条件，开发高效、稳定的数值方法至关重要。 直接模拟蒙特卡洛法（DSMC）的体系构建： DSMC是目前应用最广泛、最成熟的稀薄气体模拟技术。本书对DSMC的原理进行了细致入微的讲解，覆盖了从基础的分子对选择、时间步进策略到能量交换模型的具体实现。我们着重探讨了如何优化采样策略以降低统计噪声，并分析了不同碰撞模型（如VAZ-V-M、Lattice-Boltzmann辅助的碰撞模型）的适用性和计算成本。 格子玻尔兹曼方法（LBM）在过渡流中的应用： 针对介于连续流和自由分子流之间的复杂过渡区，格子玻尔兹曼方法展现出独特的优势。本书详细介绍了LBM的基础方程（如BGK、双分布函数模型），并阐述了如何通过调整松弛时间参数，使LBM能够有效捕捉到稀薄气体效应，特别是在处理复杂几何边界和多相流耦合问题时的灵活性。 有限体积与有限元方法在玻尔兹曼方程上的拓展： 对于需要高精度解析分布函数的场景，传统CFD方法需要进行改造。本书介绍了几种将有限体积（FV）或有限元（FE）框架应用于求解玻尔兹曼方程或其简化形式（如多尺度玻尔兹曼方程）的技术，重点分析了离散格式（如$S_N$方法、高斯-拉盖尔积分）的选择对稳定性和收敛性的影响。 边界条件的精确处理： 稀薄气体流动的关键挑战之一在于边界层内部的分子-表面相互作用。本书专门辟出章节，讨论了如何精确模拟各种反射模型（如完全漫反射、镜面反射、特定接受率模型），并将其有效嵌入到DSMC和LBM框架中，以确保计算结果的物理可靠性。 --- 第三部分：前沿计算案例与工程挑战 理论与计算方法掌握后，本书引导读者进入实际应用领域，展示如何利用这些工具解决当前最具挑战性的工程问题。 高超声速稀薄流动模拟： 详细分析了再入飞行器、返回舱以及稀疏大气中飞行器（如高超声速巡航飞行器）周围的气动热和气动外形设计问题。探讨了如何使用高精度DSMC模拟分子解离、化学反应以及与表面材料的热交换过程。 微纳尺度气流控制： 针对MEMS/NEMS器件，如微型泵、微型压缩机和传感器，气体粘滞力往往占据主导地位。本书展示了如何运用分子模拟来精确计算器件内的气体粘度、压力梯度驱动的流量以及“滑移流”效应，从而指导微纳结构的设计以优化性能。 空间环境与真空技术： 在深空探测和真空镀膜等领域，如何准确预测分子流动的动量传递和能量扩散至关重要。内容涵盖了航天器表面与原子氧、宇宙射线等粒子的相互作用，以及真空系统中的气体吸附与解吸动力学模拟。 等离子体与稀薄气体耦合： 随着先进制造技术（如原子层沉积ALD、等离子体刻蚀）对精度要求的提高，描述等离子体中带电粒子与背景中性稀薄气体分子之间的动力学耦合成为新的研究热点。本书介绍了多组分、多尺度耦合模拟的计算策略。 --- 结语 《稀薄气体动力学计算》旨在成为该领域研究人员、高级工程师和高年级研究生的重要参考手册。本书内容严谨，逻辑清晰，通过对从分子运动论到现代数值方法的系统梳理，确保读者不仅能“知其然”，更能“知其所以然”，从而能够独立开发和优化稀薄气体动力学计算模型，应对未来工程和科学探索中的复杂挑战。本书的深度和广度，使其成为连接理论物理、应用数学与工程实践的坚实桥梁。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，这本书的深度和广度令人印象深刻，它毫不避讳地触及了当前稀薄气体动力学领域尚未完全解决的难题。在探讨高维相空间积分和直接数值模拟（DNS）的局限性时，作者并未止步于说明困难，而是引出了最新的变分原理和信息论方法在气体动力学中的潜在应用方向，这体现了作者走在研究前沿的敏锐洞察力。特别值得称赞的是，书中对多尺度建模（Multi-scale Modeling）的论述，它清晰地勾勒出从分子层面到宏观层面的耦合策略，并讨论了不同尺度模型间信息传递的误差来源与校正方法。这种对不确定性量化（Uncertainty Quantification, UQ）的重视，是现代计算科学区别于传统数值方法的重要标志。通过对特定案例的详细剖析，读者可以清晰地看到，在稀薄气体这个介于经典流体力学和量子统计力学之间的“灰色地带”，如何运用计算手段构建出既物理正确又经济高效的求解器。这本书对于期望进入该领域进行原创性研究的人员而言，无疑是开拓视野、激发创新灵感的绝佳读物。

评分☆☆☆☆☆

这本书的章节组织结构非常具有逻辑性，它以一种螺旋上升的方式，逐步将读者从基础的热力学概念引导至前沿的计算模型。我注意到作者在引入新的复杂概念之前，总会用一小节内容来回顾并拓展前述的简单模型，这极大地减轻了初学者面对陡峭学习曲线时的挫败感。比如，在详细阐述格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）求解稀薄流体时，作者先是清晰地构建了单松弛时间模型（BGK），然后才引入更复杂的碰撞算子来模拟真实的分子相互作用。这种循序渐进的教学法，使得LBM这种看似抽象的方法，在实际的数值求解框架下变得触手可及。此外，书中对“稀薄”这个概念的量化描述也做得非常到位，它不仅仅是给出一个Knudsen数的范围，而是结合了实际的分子碰撞频率与特征时间尺度的对比，让读者从物理本质上理解何时需要放弃连续介质假设。整体而言，这本书的学术严谨性和教学友好度达到了一个非常高的平衡点，适合作为研究生阶段的专业课程教材使用。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，最大的感受是其对“计算”二字的极端重视，它远超了一本传统物理教材的范畴，更像是一本高级数值方法与流体力学交叉领域的实践指南。其中关于求解稀薄气体流动问题的数值格式的选择和稳定性分析，简直是教科书级别的典范。作者并未满足于介绍现有的成熟算法，而是深入探讨了不同离散化方法（如有限体积法与有限差分法）在处理稀疏性导致的速度分布函数奇异性时的优劣。我尤其欣赏其在处理复杂几何边界和非平衡态现象时的处理思路。例如，在描述航天器再入大气层时遇到的高度非平衡流动，书中并未简单套用宏观模型，而是细致地分析了分子间的碰撞截面变化如何影响宏观输运系数，进而构建了自适应网格加密策略，使得计算资源能够在关键的稀薄区域得到最优利用。这种将物理直觉与严谨数学建模紧密结合的叙事风格，让原本枯燥的数值计算过程变得富有启发性。对于那些希望将理论应用于实际工程问题，尤其是需要处理高超声速、真空环境等前沿课题的读者来说，本书提供的算法蓝图具有极高的参考价值，几乎可以作为独立项目开发的起点。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图表质量也值得一提，它们极大地提升了阅读体验，尤其是在处理复杂的流场可视化和数据对比时。许多关键的物理现象，比如由强烈的非等温效应引起的边界层结构变化，通过书中提供的三维渲染图得到了生动而直观的展现，这比单纯依赖文字描述要高效得多。我特别关注了书中关于稀薄气体与表面相互作用（Gas-Surface Interaction, GSI）模型的对比分析部分。作者并没有偏爱某一种模型（如直接反射或基于能量和动量的经验模型），而是系统地分析了不同GSI模型对壁面热流和切应力预测的敏感性差异，并给出了在不同温度梯度和迎角下应优先选用哪种模型的建议。这种基于敏感性分析的指导性内容，对于工程应用中的参数选择至关重要。总而言之，这不仅仅是一本关于“如何计算”的书，更是一本关于“为何如此计算”的哲学思考，它教会了我们如何在理论的精确性与计算的可行性之间做出审慎的权衡。

评分☆☆☆☆☆

这本关于“稀薄气体动力学计算”的著作，着实让我领教了一番理论物理的深邃与计算的精妙。初捧此书，我本以为会充斥着晦涩难懂的偏微分方程和复杂的边界条件，但作者的叙述方式却带着一种令人意外的清晰度。他似乎非常擅长将那些在教科书上看起来如同天书般的纳维-斯托克斯方程的稀疏形式，通过一系列巧妙的类比和图形化的演示，转化为可以被工程师和应用物理学家所理解的实际工具。尤其是关于朗之万方程（Langevin Equation）在介观尺度气体模拟中的应用部分，作者不仅详细推导了从玻尔兹曼方程到随机过程模型的过渡，还提供了一套完整的数值实现框架，这对于正在进行分子动力学模拟的科研人员来说，无疑是一份宝贵的参考手册。书中对蒙特卡洛方法（Monte Carlo Methods）的系统性梳理，特别是直接模拟蒙特卡洛（DSMC）算法的每一步细节，以及如何处理高稀疏度下的统计噪声，都展现了作者深厚的实践功底。读完这些章节，我感觉自己仿佛跟随一位经验丰富的老教授走进了一个布满精密仪器的实验室，每一个公式的推导都伴随着对实验现象的精准预测，让人对气动力学在极端条件下的行为有了全新的、更为微观的认识。

评分☆☆☆☆☆

《稀薄气体动力学计算》系统介绍了稀薄气体动力学的基本理论、基本方程和基本方法，特别讲述了高超声速再人飞行时稀薄气体DSMC的数值算法。

评分☆☆☆☆☆

《稀薄气体动力学计算》是一部从基础到前沿、关于稀薄气体输运理论与数值计算方面的学术专著，是一部研究与计算在地球大气层以及火星大气层中作高超声速稀薄流动问题的学术专著，在国内外并不多见。从这个意义上讲，《稀薄气体动力学计算》的出版，填补了稀薄流动问题的缺憾。

评分☆☆☆☆☆

《稀薄气体动力学计算》系统介绍了稀薄气体动力学的基本理论、基本方程和基本方法，特别讲述了高超声速再人飞行时稀薄气体DSMC的数值算法。

评分☆☆☆☆☆

《稀薄气体动力学计算》是一部从基础到前沿、关于稀薄气体输运理论与数值计算方面的学术专著，是一部研究与计算在地球大气层以及火星大气层中作高超声速稀薄流动问题的学术专著，在国内外并不多见。从这个意义上讲，《稀薄气体动力学计算》的出版，填补了稀薄流动问题的缺憾。

评分☆☆☆☆☆

《稀薄气体动力学计算》是一部从基础到前沿、关于稀薄气体输运理论与数值计算方面的学术专著，是一部研究与计算在地球大气层以及火星大气层中作高超声速稀薄流动问题的学术专著，在国内外并不多见。从这个意义上讲，《稀薄气体动力学计算》的出版，填补了稀薄流动问题的缺憾。

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《稀薄气体动力学计算》中以简明扼要的论述使读者对稀薄气体动力学的计算全貌与前沿课题均有所了解。可供高等院校和科研单位从事流体力学和航空航天专业的研究生和科研人员参考，也可作为从事航天飞行器热防护以及星际航行时气动力辅助变轨控制领域研究人员的参考书和工具书。

评分☆☆☆☆☆

书写的不是很好。而且换快递员，服务态度极差。

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《稀薄气体动力学计算》系统介绍了稀薄气体动力学的基本理论、基本方程和基本方法，特别讲述了高超声速再人飞行时稀薄气体DSMC的数值算法。

评分☆☆☆☆☆

《稀薄气体动力学计算》系统介绍了稀薄气体动力学的基本理论、基本方程和基本方法，特别讲述了高超声速再人飞行时稀薄气体DSMC的数值算法。